海上风电基础研究现状★

迟 春 广

(中国人民解放军92304部队，海南 三亚　572018)

1　概述

在海上风电场的建设中，海上风电基础是海上风电重要的组成部分，海上风电基础的设计费用与安装成本占总造价20%～30%，基础在不同工况环境条件下受到了波浪、风、地震、冲击等各种动力荷载的交互作用，易造成风机疲劳损伤、基础承载弱化以及上部结构倾斜等问题。因此，在工程设计和安全运营中需要重点关注海上风电基础的承载特性问题。

2　海上风电基础

当前海上风电基础类型主要有：单桩基础、导管架基础、筒型基础、重力式基础等，其构造如图1所示。

3　海上风电基础研究现状

3.1　海上风电单桩基础

单桩基础主要应用于除包含深厚软弱土层的大多数土质，适用水深10 m～25 m软基础，其受力明确，技术成熟，适用范围广泛，浅水区地质条件较好时经济性最优，施工最快。

单桩基础使用较早，应用广泛，国内外相继开展了大量的理论分析、实验和数值仿真等研究，并形成了相对成熟的一些评价方法。国内外基本上有四种分析计算方法：有限单元法、极限地基反力法、弹性地基反力法和P—Y曲线法。P—Y曲线法用法较为普遍，最早由Mcclelland[1]提出，随后Matlock(1970)[2]先后提出软黏土和砂土中水平受荷桩P—Y曲线计算方法，美国API(2000)采用其研究成果，Neil[3]为适应相应基础与地基的需求后续进行了改进。

近些年国内学者主要研究了动荷载作用下海上风电单桩基础承载特性。尤汉强和杨敏等[4]对循环荷载作用下海上风电单桩基础模型进行了简化分析，研究了土体极限抗力退化和桩土开脱效应对桩基承载力的影响；罗庆[5]通过数值分析，并结合室内试验的方法，研究了循环荷载在水平向、竖向及双向耦合作用下的单桩基础响应，分析了循环频率和循环次数对桩基础的影响；杨永鑫等在软黏土中进行了水平静载和循环动载的加载试验，并以双曲线型P—Y曲线模型对水平静力与循环动载下桩身弯矩展开模拟与比较，研究发现刚度对计算结果有重要的影响。

3.2　海上风电导管架基础

导管架基础适用于较硬的海床，适用水深为20 m～50 m，受环境荷载的作用比较小，整体刚度大，制作和安装成本较高，传力较为复杂，施工周期较长。

刘太强[6]利用ANSYS软件对非线性桩土间作用的分析方法进行模拟，并总结了桩土相互作用荷载的传递规律。朱斌等人[7]针对饱和砂土地基中四桩导管架基础，进行一个离心模型试验，研究其在沿对角线方向和沿边长方向的水平静力作用下，各基桩的桩周土反力差异、变形特性和内力分配。在这个基础上利用模块分析桩基承载力的可靠度及Monte Carlo法对桩土系统输入参数进行随机抽样，并给出了实际算例。对桩土作用桩轴力和桩侧摩阻力分布、P—S曲线及桩端阻力进行分析。

3.3　海上风电重力式基础

重力式基础主要应用于较硬的地基，不适合软地基及冲刷海床，适用水深30 m以内，由于重力式基础陆上整体预制，故海上施工工期短，对海床要求较高，且造价较高。

为了研究复合加载条件下重力式基础的承载特性，霍宏斌[8]利用通用ABAQUS软件对其进行计算，结果表明随着弯矩的增大，包络线会逐渐缩小。李荣敏[9]用一次二阶矩法中的验算点法计算了其基底应力的可靠性、抗倾和抗滑，并将这三种失效模式作为一个串联体系，应用结构体系可靠度的一种近似方法计算风机基础的可靠度。通过计算得出结论，其可以满足工程的安全要求，单个失效模式和结构体系的失效概率都较小，可靠性比较高。对于重力式基础工频接地电阻和冲击接地电阻，周蜜等人[10]讨论了基础结构尺寸、粘土层土壤电阻率、厚度、海水深度以及砂石层土壤电阻率对其影响，并利用软件系统计算重力式基础潮间带海上风电机组接地装置的冲击特性参数和工频特性参数。

3.4　海上风电筒型基础

海上风电筒型基础是在吸力锚的基础上发展起来，由于构造简单、可重复利用和施工方便等优点，因而逐渐被广泛关注。筒型基础在国外应用较早，1994年北海的Europipel6/11-E吸力式导管架平台是筒型基础的首次投入使用，我国于1995年在渤海5号平台中首次应用筒型基础。

目前，国内外学者通过试验、理论分析和数值计算对筒型基础的承载特性，如竖向承载力、水平承载力和变形进行了研究。Andersen,Hansen等[11]对软黏土中吸力锚进行了野外模型试验，其试验成果对筒型基础的研究提供了相应的数据支持；张宇[12]通过数值分析研究了在竖向静载作用下，筒型基础与土的相互作用机理；张兴旺[13]通过有限元分析研究了循环荷载作用下分层软黏土中筒型基础的转动中心理论，同时对筒型基础的水平承载力进行了解析解研究；王建华等[14]通过研究水平循环荷载与竖向静载对基础承载力的影响，得出以下结论：基础的静承载力大于水平循环承载力，在水平极限承载力计算中，竖向静载的取值会影响循环荷载的大小与次数。

4　结论与展望

海上风电基础设计难度较大，涵盖了结构，岩土，勘探，海工等多个学科，专业跨度较大，设计施工复杂。

海上风机结构,往往高达百米以上，基础除了承受自重等竖向荷载以外还要承受较大的水平荷载和倾覆力矩，传统的基础承载力理论研究主要以竖向承载力，水平承载力，变形为主，不能完全适应海上风电基础发展需求。

随着风机功率的增加，基础尺寸不断增大，当前国内外对大尺寸基础的极限承载力、破坏机理、循环软化效应以及动力特性等问题还缺乏足够的认识，应将研究重点转移到大尺寸基础上。

参考文献:

[1]MCCLELLAND B,FOCHT J A.Soil modulus for laterally loaded Piles.Transactions,ASCE,1958(123):1071-1074.

[2]MATLOCK H.Correlations for design of laterally loaded piles in soft clay.Proceedings of the II Annual Offshore Technology Conference,Houston,Texas,1970(OTC 1204):577-594.

[3]Murchison J.K.,and O’Neil M.W.Evalution of p-y relationships in cohesionless soils:Analasis and design of pile foundations[C].proceedings of Symposium in conjunction with the ASCE National Convention,San Francisco,Califomia,1984:174-191.

[4]尤汉强,杨敏.循环荷载下海洋风机单桩基础简化分析模型[J].岩土工程学报，2010,32(2):13-16.

[5]罗庆.单、双向循环荷载作用下单桩动力特性研究[D].长沙：中南大学，2012.

[6]刘太强.桩土相互作用影响下导管架钢桩基础可靠度分析[D].北京：中国石油大学,2010.

[7]朱斌,李涛,毕明君.海上四桩导管架基础水平受荷离心模型试验[J].岩土工程学报,2014,36(10):1822-1830.

[8]霍宏斌,王尔贝,陈锐,等.一种新型重力式海上风机基础承载特性分析[J].地下空间与工程学报,2013,9(S1):1554-1558.

[9]李荣敏.近海重力式风机基础选型优化与可靠性研究[D].大连：大连理工大学,2010.

[10]周蜜,樊亚东,郑钟楠,等.潮间带海上风电机组重力式基础接地特性[J].电网技术,2015,39(11):3320-3326.

[11]Andersen K H,Dyvik R,Schroder K，et al.Field tests of anchors in clay II:predictions andInterpretation[J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1993,119(10):1532-1549.

[12]张宇,王梅,楼志刚.竖向载荷作用下桶形基础与土相互作用机理研究[J].土木工程学报，2005,38(2):97-101.

[13]张兴旺.基于地震荷载作用下风力发电塔地震响应分析[D].天津：天津大学,2012.

[14]王建华,杨海明.软土中桶型基础水平循环承载力的模型试验[J].岩土力学,2008,29(10):2606-2612.